NASA prévoit d’envoyer des missions avec équipage sur Mars au cours de la prochaine décennie, mais le Voyage de 140 millions de milles (225 millions de kilomètres) vers la planète rouge cela pourrait prendre plusieurs mois, voire années, aller-retour.
Ce temps de transit relativement long est dû à l’utilisation de carburant chimique traditionnel pour fusée. Une technologie alternative aux fusées à propulsion chimique que l’agence développe actuellement est appelée propulsion nucléaire thermique, qui utilise la fission nucléaire et pourrait un jour, propulser une fusée cela fait le voyage en seulement la moitié du temps.
La fission nucléaire consiste à récupérer l’incroyable quantité d’énergie libérée lorsqu’un atome est divisé par un neutron. Ce la réaction est connue sous le nom de réaction de fission. La technologie de fission est bien établie dans la production d’électricité et les sous-marins à propulsion nucléaire, et son application pour entraîner ou propulser une fusée pourrait un jour offrir à la NASA une alternative plus rapide et plus puissante aux fusées à propulsion chimique.
La NASA et la Defense Advanced Research Projects Agency sont développer conjointement la technologie NTP. Ils prévoient de déployer et de démontrer les capacités d’un prototype de système dans l’espace en 2027, ce qui pourrait en faire l’un des premiers du genre à être construit et exploité par les États-Unis.
La propulsion nucléaire thermique pourrait aussi un jour alimenter plates-formes spatiales maniables cela protégerait les satellites américains sur l’orbite terrestre et au-delà. Mais la technologie est encore en développement.
je suis un professeur agrégé de génie nucléaire au Georgia Institute of Technology dont groupe de recherche construit des modèles et des simulations pour améliorer et optimiser la conception des systèmes de propulsion nucléaire thermique. Mon espoir et ma passion sont de contribuer à la conception du moteur de propulsion nucléaire thermique qui permettra une mission avec équipage vers Mars.
Propulsion nucléaire ou chimique
Les systèmes de propulsion chimique conventionnels utilisent une réaction chimique impliquant un propulseur léger, tel que l’hydrogène, et un oxydant. Lorsqu’ils sont mélangés, ces deux éléments s’enflamment, ce qui fait que le propulseur sort très rapidement de la tuyère pour propulser la fusée.
Ces systèmes ne nécessitent aucun type de système d’allumage, ils sont donc fiables. Mais ces fusées doivent transporter de l’oxygène avec elles dans l’espace, ce qui peut les alourdir. Contrairement aux systèmes de propulsion chimique, les systèmes de propulsion nucléaire thermique reposent sur des réactions de fission nucléaire pour chauffer le propulseur qui est ensuite expulsé de la tuyère pour créer la force motrice ou la poussée.
Dans de nombreuses réactions de fission, les chercheurs envoient un neutron vers un isotope plus léger de l’uraniumuranium-235. L’uranium absorbe le neutron, créant de l’uranium 236. L’uranium 236 se divise alors en deux fragments, les produits de fission, et la réaction émet des particules assorties.
Plus de 400 réacteurs nucléaires en opération dans le monde entier utilisent actuellement la technologie de la fission nucléaire. La majorité de ces réacteurs nucléaires en exploitation sont réacteurs à eau légère. Ces réacteurs à fission utilisent de l’eau pour ralentir les neutrons et pour absorber et transférer la chaleur. L’eau peut créer de la vapeur directement dans le noyau ou dans un générateur de vapeur, qui entraîne une turbine pour produire de l’électricité.
Systèmes de propulsion nucléaire thermique fonctionnent de la même manière, mais ils utilisent un combustible nucléaire différent qui contient plus d’uranium 235. Ils fonctionnent également à une température beaucoup plus élevée, ce qui les rend extrêmement puissants et compacts. Les systèmes de propulsion nucléaire thermique ont une densité de puissance environ 10 fois supérieure à celle d’un réacteur à eau légère traditionnel.
La propulsion nucléaire pourrait avoir une longueur d’avance sur la propulsion chimique pour quelques raisons.
La propulsion nucléaire expulserait très rapidement le propulseur de la tuyère du moteur, générant ainsi poussée élevée. Cette poussée élevée permet à la fusée d’accélérer plus rapidement.
Ces systèmes ont également une impulsion spécifique élevée. Impulsion spécifique mesure l’efficacité avec laquelle le propulseur est utilisé pour générer la poussée. Les systèmes de propulsion nucléaire thermique ont environ deux fois l’impulsion spécifique des fusées chimiques, ce qui signifie qu’ils pourraient réduire le temps de trajet d’un facteur 2.
Histoire de la propulsion nucléaire thermique
Pendant des décennies, le gouvernement américain a financé le développement de la technologie de propulsion nucléaire thermique. Entre 1955 et 1973, les programmes de NASA, Électricité générale et Laboratoires Nationaux d’Argonne produit et testé au sol 20 moteurs de propulsion nucléaire thermique.
Mais ces conceptions d’avant 1973 reposaient sur du combustible à l’uranium hautement enrichi. Ce carburant n’est plus utilisé en raison de son dangers de proliférationou les dangers liés à la propagation des matières et de la technologie nucléaires.
Le Initiative mondiale de réduction des menaceslancé par le ministère de l’Énergie et Administration nationale de la sécurité nucléairevise à convertir de nombreux réacteurs de recherche utilisant du combustible à l’uranium hautement enrichi en combustible à l’uranium faiblement enrichi à haute teneur, ou HALEU.
Le combustible à base d’uranium hautement titré et faiblement enrichi contient moins de matières susceptibles de subir une réaction de fission que le combustible à l’uranium hautement enrichi. Ainsi, les fusées doivent contenir plus de carburant HALEU, ce qui alourdit le moteur. Pour résoudre ce problème, les chercheurs étudient des matériaux spéciaux qui permettraient d’utiliser le combustible plus efficacement dans ces réacteurs.
La NASA et la DARPA Fusée de démonstration pour les opérations agiles cislunairesLe programme , ou DRACO, entend utiliser ce combustible à base d’uranium faiblement enrichi et à haute teneur dans son moteur de propulsion nucléaire thermique. Le programme prévoit de lancer sa fusée en 2027.
Dans le cadre du programme DRACO, la société aérospatiale Lockheed Martin s’est associée à BWX Technologies pour développer les conceptions du réacteur et du combustible.
Les moteurs de propulsion nucléaire thermique développés par ces groupes devront répondre à des normes spécifiques de performances et de sécurité. Ils devront disposer d’un noyau capable de fonctionner pendant toute la durée de la mission et d’effectuer les manœuvres nécessaires pour un voyage rapide vers Mars.
Idéalement, le moteur devrait être capable de produire des impulsions spécifiques élevées, tout en satisfaisant aux exigences de poussée élevée et de faible masse du moteur.
Recherche en cours
Avant que les ingénieurs puissent concevoir un moteur répondant à toutes ces normes, ils doivent commencer par des modèles et des simulations. Ces modèles aident les chercheurs, comme ceux de mon groupe, à comprendre comment le moteur gérerait le démarrage et l’arrêt. Ce sont des opérations qui nécessitent des changements rapides et massifs de température et de pression.
Le moteur de propulsion nucléaire thermique sera différent de tous les systèmes électriques à fission existants, les ingénieurs devront donc créer des outils logiciels compatibles avec ce nouveau moteur.
Mon groupe conceptions et analyses réacteurs nucléaires à propulsion thermique à l’aide de maquettes. Nous modélisons ces systèmes de réacteurs complexes pour voir comment des éléments tels que les changements de température peuvent affecter le réacteur et la sécurité de la fusée. Mais la simulation de ces effets peut nécessiter une puissance de calcul très coûteuse.
Nous avons travaillé pour développer de nouveaux outils informatiques qui modélise la façon dont ces réacteurs agissent pendant qu’ils sont démarrage et fonctionnement sans utiliser autant de puissance de calcul.
Mes collègues et moi-même espérons que ces recherches pourront un jour contribuer au développement de modèles capables de contrôler la fusée de manière autonome.
Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lire le article original.